高功率宽谱色心激光器及新型波导激光器实验研究

发布时间：2017-12-15 05:18

  本文关键词：高功率宽谱色心激光器及新型波导激光器实验研究

  更多相关文章： 色心激光器 LiF:F_2~- Nd:YAG 平板波导激光器 单晶光纤激光器

【摘要】：本论文实验研究主要分成两部分,一部分是LiF:F_2~-色心激光器的实验研究;另一部分是新型波导激光器的实验研究。其中新型波导激光器有两种类型波导结构,一是平板波导激光器;二是单晶光纤激光器。可调谐固体激光器主要有两类,一类是色心激光器,一类是用掺杂过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。色心激光器的阈值低,既可连续工作,又可以脉冲工作,而且很容易实现单纵模运转,并且光束质量好,因此它在分子光谱学、化学动力学、污染检测、光纤通信、半导体物理等领域有重要的应用价值。目前很多科研人员致力于新型波导激光器的研究,力求将传统的固体块状激光晶体与现在热门的光纤波导技术结合起来,来实现高效、高功率的激光输出。传统的固体块状激光介质,例如Nd:YAG单晶体,是一种十分优良的固体块状激光增益介质,它具有超高熔点,机械性能良好,热导率高,可长期在高功率泵浦辐射下保持稳定的光学和物理性能等优良特性。而光纤激光器是以玻璃光纤作为波导介质,具有耦合效率高、高转换效率、低阈值、光束质量好等优点。因此把这两方面结合起来形成新型的固体波导激光器成为当前研究人员关注的热点。平板波导激光器就是融合了块状固态激光器和光纤激光器的优点,在散热方面,平板波导激光器具有比传统固体增益介质更大的散热面积,可以与冷却系统充分接触,散热更好。另外平板波导的选材上不像光纤拘泥于玻璃材料,它可以使用普通的激光单晶材料也可以使用激光陶瓷材料等。因此平板波导激光器结构相对于其他固态高能激光器,能够更有利于实现高功率和高光束质量输出。单晶光纤是另一种结合了激光晶体和光纤波导结构的新型激光增益介质。泵浦光在单晶光纤中以波导形式传输,输出激光可以在芯层自由传输。相比较于传统玻璃光纤,单晶光纤具有高的热导率、低的非线性增益系数、较高的激活离子掺杂浓度等优点。本论文首先利用声光调Q准连续侧面泵浦Nd:YAG激光器作为泵浦源,对LiF:F_2~-色心晶体的输出特性进行了大量实验研究;然后利用808 nm LD端泵做为泵浦源,对YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平板波导和Nd:YAG单晶光纤激光器的连续,调Q输出特性分别进行了详细研究。研究内容主要有:1.进行了 LD侧面泵浦宽谱输出LiF:F_2~-色心激光器研究。首先研究了 1064 nm泵浦光的输出特性。当泵浦电流71 A时,在400 Hz宏频率下,我们得到了最高输出功率25.4 W,此时声光调Q脉冲宽度为70 ns。然后分别在不同曲率输出镜和不同透过率输出镜情况下,研究了色心激光的最佳输出腔型。在400 Hz的宏频率下、输入镜曲率半径1000 mm、输出镜透过率39%的情况下我们得到了最佳结果。当1064.nm泵浦光功率为25.4 W时我们得到了最高的色心激光功率输出为4.7 W,相应的光-光转化效率为18.5%。色心激光的光谱宽度为13 nm,中心波长1142nm。激光光斑竖直方向和水平方向的光束质量分别为4.7和4.3。2.以YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平板波导为激光增益介质,808nm半导体激光为泵浦源研究了平板波导激光器的连续和脉冲输出特性。在连续操作部分,我们在吸收17.4 W泵浦光情况下获得了 10.4 W的最高1064 nm激光输出。相应的光光转换效率高达59.8%。功率从小到大1064 nm激光的竖直方向光束质量由1.16涨到3.22。在主动调Q操作部分,在30 kHz重频下得到了最高平均输出功率3.0 W对应的光转换效率为38.6%。在重频10 kHz时我们得到了最短的脉冲输出,脉宽6.5 ns。此时单脉冲能量和峰值功率分别为0.25 mJ和38.5 kW。3.研究了 LD端面泵浦单晶光纤Nd:YAG激光器的1064nm激光连续输出特性。当吸收泵浦功率为117 W时,得到了 72.3 W的1064 nm激光输出,相应的光转换效率高达62.8%。并在实验最后采用KTP腔内倍频获得了 10 W绿光输出。4.研究了 LD端面泵浦1122.6 nm激光单晶光纤Nd:YAG激光器的连续以及脉冲输出特性。连续自由运转部分,吸收泵浦光功率92.7 W获得27.2 W的1122.6nm激光输出,光转换效率为29.34%。主动调Q部分,在30 kHz时获得最高脉冲输出功率3.9 W,在10 kHz得到最短脉宽为86 ns,峰值功率和单脉冲能量分别为 4.22 kW 和 0.363 mJ。本论文研究主要创新点如下:1.首次利用LD侧面泵浦的Nd:YAG 1064 nm主动调Q激光器做为泵浦源,研究了LiF:F_2~-色心激光器的激光输出特性,获得了 50 kHz高重频的高功率宽谱LiF:F_2~-色心激光输出。在吸收1064 nm泵浦光25.4 W时,获得了最高4.7 W的色心激光宽谱输出。激光光谱宽度13 nm,中心波长1142 nm。2.实现了 LD端面泵浦的YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷平板波导激光器的高功率输出。证明了流延成型法制备的透明陶瓷平板波导具有优良的光学性能。当吸收LD泵浦光功率为25.4 W时,得到连续输出激光的最高功率为10.4 W,对应的光转换效率为59.8%。这是目前采用无水基流延成型法制备的平板波导中获得的最高功率及最高光转换效率。在调Q脉冲运转中,我们在30 kHz重频下得到了最高平均输出功率3.0 W对应的光转换效率为38.6%。在重频10 kHz时我们得到了最短的脉冲输出,脉宽6.5 ns。此时单脉冲能量和峰值功率分别为 0.25mJ 和 38.5kW。3.实现了 LD端面泵浦Nd:YAG单晶光纤1064 nm连续激光的高功率输出。最高输出功率能到72.3 W,相应的光转换效率高达61.8%。据我们所知这是Nd:YAG单晶光纤目前为止得到的最高输出功率和光转换效率。通过KTP内腔倍频,我们得到10 W绿光输出。4.首次研究LD端面泵浦Nd:YAG单晶光纤1122.6 nm连续、脉冲激光输出特性。在吸收泵浦光功率92.7 W时获得最高连续输出功率为27.2 W,光转换效率为29.34%。在脉冲重复频率为10 kHz时,获得最短脉冲宽度为86 ns,峰值功率和单脉冲能量分别为4.22 kW和0.36 mJ。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN248

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本文编号：1290760